[논문 리뷰] On the Performance of NOMA-Based Cooperative Relaying Systems over Rician Fading Channels

Ruicheng Jiao, Linglong Dai외 3명|arXiv (Cornell University)|2017. 07. 22.

Advanced Wireless Communication Technologies참고 문헌 10인용 수 4

한 줄 요약

이 논문은 라이케인 fading 채널에서 비직교 다중접근(NOMA) 기반 공유 중계 시스템의 성능을 평가하기 위한 분석 프레임워크를 제안한다. 타일러 전개와 Bessel 함수 성질을 이용해 도출한 정확한 가용 비트 전달률 표현식과 가우스-체비셰프 적분 기반의 근사화 방법을 도입함으로써, 정확하고 효율적인 비트 전달률 계산이 가능해졌으며, 몬테카를로 시뮬레이션 결과와의 밀도 높은 일치도와 전통적인 중계 시스템에 비해 뛰어난 합성 비트 전달률 성능을 입증하였다.

ABSTRACT

Non-orthogonal multiple access (NOMA) is a promising technique for the fifth generation (5G) wireless communications. As users with good channel conditions can serve as relays to enhance the system performance by using successive interference cancellation (SIC), the integration of NOMA and cooperative relaying has recently attracted increasing interests. In this paper, a NOMA-based cooperative relaying system is studied, and an analytical framework is developed to evaluate its performance. Specifically, the performance of NOMA over Rician fading channels is studied, and the exact expression of the average achievable rate is derived. Moreover, we also propose an approximation method to calculate the achievable rate by using the Gauss-Chebyshev Integration. Numerical results confirm that our derived analytical results match well with the Monte Carlo simulations.

연구 동기 및 목표

• 실세계 5G 환경에서 LOS 및 NLOS 성분을 모두 포함하는 현실적인 조건을 반영하기 위해, 라이케인 fading 채널 내의 NOMA 기반 공유 중계 시스템의 성능을 분석하는 것.
• 라이케인 분포의 PDF에 포함된 Bessel 함수로 인해 발생하는 복잡성 문제를 해결하고, 이러한 시스템 내의 가용 비트 전달률에 대한 정확한 해석적 표현식을 유도하는 것.
• 가우스-체비셰프 적분 기반의 근사화 방법을 통해 비트 전달률 계산을 단순화하면서도 높은 정확도를 유지하는 효율적인 근사화 방법을 개발하는 것.
• 몬테카를로 시뮬레이션을 통한 해석적 결과의 검증과 동시에, 합성 비트 전달률 성능 측면에서 전통적인 공유 중계 시스템과의 비교를 수행하는 것.

제안 방법

• 라이케인 fading 채널에서 NOMA 기반 디코딩-포워딩 공유 중계 시스템의 약한 사용자 및 강한 사용자의 가용 비트 전달률에 대한 정확한 표현식을 도출하기 위해, Bessel 함수의 타일러 전개와 정규화되지 않은 감마 함수 성질을 활용한다.
• 시리즈 전개 및 특수 함수 항등식을 활용하여, 라이케인 PDF를 포함하는 복잡한 적분 표현식을 수치적 평가에 적합한 형태로 변환한다.
• 가용 비트 전달률 표현식의 합계열을 효율적으로 계산하기 위해 가우스-체비셰프 적분 기반의 근사화 방법을 제안하며, 빠른 수렴성과 수치적 안정성을 확보한다.
• 이중 단계 전송 모델을 적용한다: 첫 번째 슬롯에서 소스는 중계기와 목적지에 슈퍼포지션 코딩된 신호를 방출하고, 두 번째 슬롯에서 중계기는 디코딩된 신호를 목적지로 전달한다.
• 강한 사용자에서 순차적 인터패턴 제거(SIC)를 적용하여 두 신호를 모두 디코딩함으로써, 강한 사용자가 공유 중계 역할을 수행할 수 있도록 한다.
• 10^5개의 채널 실현값과 가우스-체비셰프 적분의 근사화 순서 100을 사용하여 몬테카를로 시뮬레이션을 통해 해석적 결과를 검증한다.

실험 결과

연구 질문

• RQ1 LOS 및 NLOS 성분을 모두 포함하는 라이케인 fading 채널에서 NOMA 기반 공유 중계 시스템의 가용 비트 전달률은 어떻게 행동하는가?
• RQ2 라이케인 분포의 Bessel 함수로 인해 수학적으로 복잡성이 증가하는 상황에서, 이러한 시스템의 평균 가용 비트 전달률에 대한 정확한 해석적 표현식은 무엇인가?
• RQ3 계산 비용이 높은 시뮬레이션에 의존하지 않고도, 비트 전달률을 효율적이고 정확하게 계산할 수 있는 근사화 방법을 개발할 수 있는가?
• RQ4 전력 할당 계수 $ a_2 $ 는 개별 비트 전달률과 합성 비트 전달률에 어떤 영향을 미치며, 시스템의 합성 비트 전달률을 최대화하는 최적의 값이 존재하는가?
• RQ5 전통적인 오р토곤럴 공유 중계 시스템과 비교했을 때, NOMA 기반 공유 중계 시스템의 합성 비트 전달률 성능은 어떠한가?

주요 결과

• NOMA 기반 공유 중계 시스템에서 약한 사용자 및 강한 사용자의 가용 비트 전달률에 대한 유도된 해석적 표현식이 몬테카를로 시뮬레이션 결과와 매우 우수한 일치를 보이며, 해석 모델의 정확성을 확인한다.
• 가우스-체비셰프 적분 기반의 근사화 방법을 통해 비트 전달률의 신속하고 정확한 수치 계산이 가능해졌으며, 수열이 빠르게 수렴하고 높은 정밀도를 유지함을 확인하였다.
• NOMA 기반 시스템의 합성 비트 전달률은 전력 할당 계수 $ a_2 $ 가 증가함에 따라 처음에는 증가하다가 감소하는 경향을 보이며, 이는 최적의 $ a_2 $ 가 존재하고 합성 비트 전달률을 최대화할 수 있음을 시사한다.
• 전통적인 공유 중계 시스템에 비해 NOMA 기반 공유 중계 시스템은 더 높은 합성 비트 전달률을 달성한다. 이는 전통적 시스템이 슬롯당 하나의 신호만 전송하는 데 반해, NOMA 기반 시스템은 두 사용자에게 두 슬롯 동안 신호를 전송하기 때문이다.
• 시스템 성능은 채널 조건에 민감하게 영향을 받는다: 중계기에서 목적지로 향하는 링크와 소스에서 중계기로 향하는 링크의 평균 전력 이득($ \Ω $)이 높을수록 전체 비트 전달률이 향상되며, 특히 $ a_2 $ 가 최적화된 경우 두드러진 성능 향상이 관찰된다.
• 결과는 라이케인 fading으로 모델링된 강한 LOS 성분이 존재하는 환경에서, NOMA 기반 중계가 전통적 중계 방식보다 스펙트럼 효율성 측면에서 뛰어나다는 것을 확인한다.